Структурата на материята.

Структурата на атома.

Атомът е най-малката частица от химичен елемент, носител на всичките му химични свойства. Атомът е химически неделим. Атомите могат да съществуват както в свободно състояние, така и във връзка с атоми на същия елемент или на друг елемент.
Единицата за атомна и молекулна маса в момента се приема като 1/12 от масата на въглероден атом с атомна маса, равна на 12 (изотоп). Тази единица се нарича въглеродна единица.

Маса и размери на атомите. Числото на Авогадро.

Грам-атом, както и грам-молекула на всяко вещество, съдържа съответно 6,023 10^23 атома или молекули. Това число се нарича число на Авогадро (N0). И така, в 55,85 g желязо, 63,54 g мед, 29,98 g алуминий и т.н. има брой атоми, равен на числото на Авогадро.
Познавайки числото на Авогадро, е лесно да се изчисли масата на един атом на всеки елемент. За това грама-атомната маса на един атом трябва да бъде разделена на 6,023 10 ^ 23. И така, масата на водороден атом (1) и масата на въглероден атом (2) са съответно равни:

Въз основа на числото на Авогадро може да се оцени и обемът на атома. Например, плътността на медта е 8,92 g / cm ^ 3, а грама-атомната маса е 63,54 g. Следователно един грам-атом мед заема обема , а един меден атом има обем .

Структура на атомите.

Атомът е сложно образувание и се състои от множество по-малки частици. Атомите на всички елементи се състоят от положително заредено ядро ​​и електрони - отрицателно заредени частици с много малка маса. Ядрото заема незначителна част от общия обем на атома. Диаметърът на атома е cm, а диаметърът на ядрото е cm.
Въпреки че диаметърът на ядрото на атома е 100 000 пъти по-малък от диаметъра на самия атом, практически цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. От това следва, че плътността на атомните ядра е много висока. Ако беше възможно да се съберат 1 cm3 атомни ядра, тогава масата му би била около 116 милиона тона.
Ядрото е изградено от протони и неутрони. Тези частици имат общо име - нуклони.
протон- - стабилна елементарна частица с маса, близка до въглеродна единица. Зарядът на протона е равен на заряда на електрода, но с обратен знак. Ако зарядът на електрона е равен на -1, тогава зарядът на протона е +1. Протонът е водороден атом без електрон.
Неутрон- атомна обвивка, чийто отрицателен заряд компенсира положителния заряд на ядрото, поради наличието на протони в него.
По този начин броят на електроните в атома е равен на броя на протоните в неговото ядро.
Връзката между броя на протоните, броя на неутроните и масовото число на атома се изразява чрез уравнението: N = A-Z
Следователно броят на неутроните в ядрото на атом на всеки елемент е равен на разликата между масовото му число и броя на протоните.
Така че броят на неутроните в ядрото на радиев атом с маса 226 N = A-Z = 226-88 = 138

Маса и заряд на електрон.

Всички химични процеси на образуване и разрушаване на химични съединения протичат без промяна на ядрата на атомите на елементите, които съставляват тези съединения. Само електронните обвивки претърпяват промени. Следователно химическата енергия е свързана с енергията на електроните. За да се разберат процесите на образуване и разрушаване на химичните съединения, човек трябва да има разбиране за свойствата на електрона като цяло и особено за свойствата и поведението на електрона в атома.
електрон- това е елементарна частица, която има елементарен отрицателен електрически заряд, тоест най-малкото количество електричество, което може да съществува. Зарядът на електрона е равен на e. Изкуство. единици или висулка. Масата на покой на електрона е равна на r, т.е. 1837,14 пъти по-малко от масата на водороден атом. Масата на електрона е въглеродна единица.

Моделът на Бор на атома.

В началото на 20-ти век М. Планк А. Айнщайн създава квантовата теория на светлината, според която светлината е поток от отделни енергийни кванти, пренасяни от частици светлина - фотони.
Стойността на кванта енергия(E) е различно за различните емисии и е пропорционално на честотата на вибрациите:
,
където h е константа на Планк.
М. Планк показа, че атомите абсорбират или излъчват лъчиста енергия само на отделни, добре дефинирани части - кванти.
Опитвайки се да свърже закона на класическата механика с квантовата теория, датският учен Н. Бор вярва, че електрон във водороден атом може да бъде само в определени - постоянни орбити, чиито радиуси са свързани един с друг като квадрати от цели числа Тези орбити бяха наречени от Н. Бор стационарни.
Излъчването на енергия възниква само когато електрон преминава от по-далечна орбита в орбита, по-близка до ядрото. Когато електрон премине от близка орбита към по-далечна, енергията се абсорбира от атома.
, където са енергиите на електроните в стационарни състояния.
Когато Ei> Ek, енергията се освобождава.
За Ей< Ек энергия поглощается.
Решението на проблема за разпределението на електроните в атома се основава на изследването на линейните спектри на елементите и техните химични свойства. Спектърът на водородния атом почти напълно потвърждава теорията на Н. Бор. Наблюдаваното разделяне на спектралните линии в многоелектронните атоми и засилването на това разделяне в магнитни и електрически полета обаче не може да бъде обяснено с теорията на Н. Бор.

Вълнови свойства на електрона.

Законите на класическата физика противопоставят понятията "частица" и "вълна" едно на друго. Съвременната физическа теория, наречена квантова, или вълнова механика, показа, че движението и взаимодействието на частици с малка маса - микрочастици протичат по закони, различни от законите на класическата механика. Една микрочастица притежава едновременно някои свойства на корпускулите (частици) и някои свойства на вълните. От една страна, електрон, протон или друга микрочастица се движи и действа като частица, например, когато се сблъсква с друга микрочастица. От друга страна, когато една микрочастица се движи, се откриват интерференционни и дифракционни явления, характерни за електромагнитните вълни.
Така в свойствата на електрона (както и на други микрочастици), в законите на неговото движение се проявява непрекъснатостта и взаимосвързаността на две качествено различни форми на съществуване на материя, вещество и поле. Микрочастицата не може да се разглежда нито като обикновена частица, нито като обикновена вълна. Микрочастицата има корпускулярно-вълнов дуализъм.
Говорейки за връзката между материята и полето, може да се стигне до извода, че ако всяка материална частица има определена маса, тогава, очевидно, същата частица трябва да съответства и на определена дължина, вълна. Има въпрос за връзката между маса и вълна. През 1924 г. френският физик Луи дьо Бройл предполага, че с всеки движещ се електрон (и като цяло с всяка движеща се материална частица) е свързан вълнов процес, чиято дължина на вълната е , където е дължината на вълната в cm (m), h е на Планк постоянен, равен на ерг. sec (), m - маса на частиците в g (kg), - скорост на частиците, в cm / sec.
От това уравнение може да се види, че частица в покой трябва да има безкрайно дълга дължина на вълната и че дължината на вълната намалява с увеличаване на скоростта на частицата. Дължината на вълната на движеща се частица с голяма маса е много малка и все още не може да бъде определена експериментално. Следователно говорим за вълновите свойства само на микрочастиците. Електронът има вълнови свойства. Това означава, че неговото движение в атом може да се опише с вълново уравнение.
Планетарният модел на структурата на водородния атом, създаден от Н. Бор, който изхожда от концепцията за електрона само като класическа частица, не може да обясни редица свойства на електрона. Квантовата механика показа, че идеята за движението на електрон около ядрото по определени орбити, като движението на планетите около Слънцето, трябва да се счита за несъстоятелна.
Електронът, притежаващ свойствата на вълна, се движи в целия обем, образувайки електронен облак, който за електроните в един атом може да има различна форма. плътността на този електронен облак в една или друга част от атомния обем не е еднаква.

Характеризиране на електрон чрез четири квантови числа.

Основната характеристика, която определя движението на електрона в полето на ядрото, е неговата енергия. Енергията на електрона, подобно на енергията на частица от светлинен поток - фотон, не приема никакви, а само определени дискретни, прекъснати или, както се казва, квантувани стойности.
Движещият се електрон има три степени на свобода на движение в пространството (съответстващи на три координатни оси) и една допълнителна степен на свобода поради наличието на собствени механични и магнитни моменти на електрона, които отчитат въртенето на електрона около неговата ос . Следователно, за пълната енергийна характеристика на състоянието на електрон в атом е необходимо и достатъчно да има четири параметъра. Тези параметри се наричат квантови числа. Квантовите числа, подобно на енергията на електрона, могат да проникнат не във всички, а само в определени стойности. Съседните стойности на квантовите числа се различават с едно.

Главно квантово число n характеризира общата енергия на електрона или неговото енергийно ниво. Основното квантово число може да приема стойности на цели числа от 1 до . За електрон, разположен в полето на ядрото, основното квантово число може да приеме стойности от 1 до 7 (съответстващо на номера на периода в периодичната система, в която се намира елементът). Енергийните нива се обозначават или с числа в съответствие със стойностите на основното квантово число, или с букви:

Ако, например, n=4, тогава електронът е на четвърто енергийно ниво, като се брои от ядрото на атома, или на ниво N.

Орбитално квантово число l, което понякога се нарича странично квантово число, характеризира различно енергийно състояние на електрон от дадено ниво. Фината структура на спектралните линии предполага, че електроните на всяко енергийно ниво са групирани в поднива. Орбиталното квантово число е свързано с ъгловия импулс на електрона, докато се движи спрямо ядрото на атома. Орбиталното квантово число също определя формата на електронния облак.Квантовото число l може да приема всички цели числа от 0 до (n-1). Например, когато n=4, l=0, 1, 2, 3. Всяка стойност на l съответства на определено подниво. За поднива се използват буквени обозначения. И така, при l=0, 1, 2, 3 електрона са съответно на s-, p-, d-, f- поднива. Електроните от различни поднива се наричат ​​съответно s-, p-, d-, f - електрони. Възможният брой поднива за всяко енергийно ниво е равен на броя на това ниво, но не надвишава четири. Първото енергийно ниво (n=1) се състои от едно s-подниво, второто (n=2), третото (n=3) и четвъртото (n=4) енергийни нива се състоят съответно от две (s, p), три (s , p, d) и четири (s, p, d, f) поднива. Не може да има повече от четири поднива, тъй като стойностите l=0, 1, 2, 3 описват електроните на атомите на всички 104 елемента, известни сега.
Ако l=0 (s-електрони), тогава ъгловият импулс на електрона спрямо ядрото на атома е равен на нула. Това може да се случи само когато електронът не се движи напред транслационно около ядрото, а от ядрото към периферията и обратно. Електронният облак на s-електрона е със сферична форма.

Магнитно квантово число- с ъгловия импулс на електрона е свързана и неговата магнитен момент. Магнитното квантово число характеризира магнитния момент на електрона. магнитното квантово число характеризира магнитния момент на електрона и показва ориентацията на електронния облак спрямо избраната посока или спрямо посоката магнитно поле. Магнитното квантово число може да приеме всякакви положителни и отрицателни цели числа, включително нула в диапазона от - l до + l. Например, ако l = 2, тогава той има 2 l + 1 = 5 стойности (-2, -1, 0, +1, +2). За l = 3 броят на стойностите е 2 l + 1 = 7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Броят на стойностите на магнитното квантово число, който е равен на 2 l + 1, е броят на енергийните състояния, в които могат да бъдат електроните на дадено подниво. Така s-електроните имат само едно състояние (2 l+1=1), p-електроните имат 3 състояния (2 l+1=3), d-, f-електроните имат съответно 5 и 7 състояния. Енергийни състоянияобичайно е да се обозначават схематично като енергийни клетки, изобразявайки ги под формата на правоъгълници, а електроните под формата на стрелки в тези клетки.

Спиново квантово число- характеризира вътрешното движение на електрона - спин. Той е свързан със собствения магнитен момент на електрона, поради движението му около оста му. Това квантово число може да приеме само две стойности: + 1/2 и -1/2, в зависимост от това дали магнитното поле на спина на електрона е ориентирано успоредно или антипаралелно на магнитното поле поради движението на електрона около ядрото.
Два електрона (двойка) с същите стойностиквантовите числа: n, I, но с противоположно насочени завъртания ( ↓) се наричат ​​сдвоена или самотна двойка електрони. Електроните с ненаситени завъртания () се наричат ​​несдвоени.

Принцип на Паули, принцип на най-малката енергия, правило на Хунд.
Разпределението на електроните в атомите на елементите се определя от три основни положения: принципа на Паули, принципа на най-малката енергия и правилото на Гунд.

Принципът на Паули.Изучавайки многобройните спектри на атомите, швейцарският физик В. Паули през 1925 г. стига до заключението, наречено принципът или забраната на Паули: може би дори два електрона с еднакви стойности на всичките четири квантови числа. Енергийните състояния на електроните, характеризиращи се със същите стойности на три квантови числа: n, I и m1, обикновено се означават с енергийна клетка.
Според принципа на Паули в енергийна клетка може да има само два електрона и то с противоположни завъртания
Наличието на трети електрон в една енергийна клетка би означавало, че два от тях имат еднакви и четирите квантови числа. Броят на възможните състояния на електроните (фиг. 4) на дадено подниво е равен на броя на стойностите на магнитното квантово число за това подниво, т.е. 21 + 1. Максималният брой електрони на това подниво, съгл. на принципа на Паули, ще бъде 2 (21 + 1). По този начин са възможни 2 електрона на s-подниво; p-подниво 6 електрона; на d-подниво 10 електрона; има 14 електрона на f-подниво. Броят на възможните състояния на електроните на всяко ниво е равен на квадрата на главното квантово число, а максималният брой електрони на това ниво е

Принципът на най-малко енергия.

Последователността на поставяне на електрони в атома трябва да съответства на най-голямата им връзка с ядрото, т.е. електронът трябва да има най-ниска енергия. Следователно, не е необходимо електронът да заема по-високо енергийно ниво, ако има места в основното ниво, където електронът ще има по-ниска енергия.

Тъй като енергията на електрона се определя главно от стойностите на главното n и орбиталните / квантовите числа, тогава първо се запълват тези поднива, за които сумата от стойностите на квантовите числа n и / е по-малка . Например, енергийният резерв на подниво 4s(n +/ = 4 +0 = 4) е по-малък от 3d(n + /= 3 + 2 = 5); 5s (n + / = 5 + 0 = 5) по-малко от 4d(n + / = 4 + 2 = 6); 5p(n + / = 5 +1 =6) по-малко от 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Ако за две нива сумите от стойностите на n и / са равни, тогава първо се извършва запълването на поднивото с по-малка стойност на n. n, тоест в следната последователност: 3d-4p-5s.
Когато енергиите на близки поднива се различават много малко една от друга, има някои изключения от това правило. По този начин 5d поднивото е запълнено с един електрон 5dl преди 4f; 6d1-2 преди 5f.
Енергийните нива и поднивата се попълват в следната последователност: ls → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → (5dl) → 4f → 5d → 6p → 7s → (6d1- 2 )→5f→ 6d→7p

Правилото на Гунд.
Електроните в рамките на дадено подниво първо се намират всеки в отделна клетка под формата на несдвоени "неактивни" електрони. С други думи, за дадена стойност на I, електроните в атома са подредени по такъв начин, че общият им спин броят е максимално. Например, ако три електрона, тогава всеки от тях ще бъде разположен в отделна клетка по този начин:

Електронни формули на атоми и диаграми.

Като се вземат предвид разгледаните разпоредби, лесно е да си представим разпределението на електроните по енергийни нива и поднива в атомите на всеки елемент. Това разпределение на електроните в атома се записва под формата на така наречените електронни формули. В електронните формули буквите s, p, d, f означават енергийните поднива на електроните; цифрите пред буквите показват енергийното ниво, в което се намира дадения електрон, а индексът горе вдясно показва броя на електроните в даденото подниво. Например записът 5p3 означава, че 3 електрона са разположени на p-поднивото на петото енергийно ниво.
За да съставите електронната формула на атом на всеки елемент, достатъчно е да знаете номера на този елемент в периодичната таблица и да изпълните основните разпоредби, които управляват разпределението на електроните в атома.
Да предположим, че трябва да съставите електронни формули за атомите на сяра, калций, скандий, желязо и лантан. От периодичната таблицаопределяме номерата на тези елементи, които са съответно равни на 16, 20, 21, 26,. Това означава, че на енергийните нива и поднива атомите на тези елементи съдържат съответно 16, 20, 21, 26, 57 електрона. Спазвайки принципа на Паули и принципа на най-малката енергия, т.е. последователността на запълване на енергийни нива и поднива, може да се съставят електронните формули на атомите на тези елементи:

Структурата на електронната обвивка на атома може да бъде изобразена и като диаграма на разпределението на електроните в енергийните клетки.
За атомите на желязо такава схема е, както следва:

Тази диаграма ясно показва прилагането на правилото на Хунд. На 3d-подниво максималният брой клетки (четири) е запълнен с несдвоени електрони. Изображението на структурата на електронната обвивка в атома под формата на електронни формули и под формата на диаграми не отразява ясно вълновите свойства на електрона. Трябва обаче да се помни, че всеки s-, p-, d-, f-електрон се характеризира със собствен електронен облак. Различната форма на електронния облак показва, че електронът има неравна вероятност да бъде в дадена област на пространството за атом. В зависимост от стойността на магнитното квантово число m1, ориентацията на електронния облак в пространството също ще бъде различна.

Електронът е фундаментална частица, една от онези, които са структурните единици на материята. Според класификацията става дума за фермион (частица с половин цяло число, кръстена на физика Е. Ферми) и лептон (частици с половин цяло число, които не участват в силно взаимодействие, една от четирите основни във физиката). Барионът е нула, както другите лептони.

Доскоро се смяташе, че електронът е елементарна, тоест неделима, безструктурна частица, но сега учените имат различно мнение. От какво се състои един електрон според съвременните физици?

История на името

Още в древна Гърция натуралистите забелязали, че кехлибарът, предварително натрит с вълна, привлича малки предмети към себе си, тоест проявява електромагнитни свойства. Електронът е получил името си от гръцкото ἤλεκτρον, което означава „кехлибар“. Терминът е предложен от Дж. Стоуни през 1894 г., въпреки че самата частица е открита от Дж. Томпсън през 1897 г. Беше трудно да се открие, причината за това е малката маса, а зарядът на електрона стана решаващ в експеримента за намиране. Първите изображения на частицата са получени от Чарлз Уилсън с помощта на специална камера, която се използва дори в съвременните експерименти и е кръстена на него.

Интересен факт е, че една от предпоставките за откриването на електрона е твърдението на Бенджамин Франклин. През 1749 г. той развива хипотезата, че електричеството е материално вещество. Именно в неговите произведения за първи път са използвани термини като положителни и отрицателни заряди, кондензатор, разряд, батерия и частица електричество. Специфичният заряд на електрона се счита за отрицателен, а този на протона за положителен.

Откриване на електрона

През 1846 г. немският физик Вилхелм Вебер започва да използва концепцията за "атом на електричество" в своите трудове. Майкъл Фарадей открива термина "йон", който сега, може би, все още е известен от училище. С природата на електричеството се занимават много изтъкнати учени, като немският физик и математик Юлиус Плюкер, Жан Перин, английският физик Уилям Крукс, Ернст Ръдърфорд и др.

Така, преди Джоузеф Томпсън да завърши успешно своя прочут експеримент и да докаже съществуването на частица, по-малка от атом, много учени са работили в тази област и откритието не би било възможно, ако не бяха извършили тази колосална работа.

През 1906 г. Джоузеф Томпсън получава Нобелова награда. Експериментът се състоеше в следното: лъчи от катодни лъчи се пропускаха през успоредни метални пластини, които създаваха електрическо поле. След това те трябваше да направят по същия начин, но чрез система от намотки, които създаваха магнитно поле. Томпсън установява, че под действието на електрическо поле лъчите се отклоняват и същото се наблюдава с магнитен ефект, но лъчите на катодните лъчи не променят траекториите си, ако и двете полета действат върху тях в определени съотношения, които зависят от скоростта на частиците.

След изчисленията Томпсън научава, че скоростта на тези частици е значително по-ниска от скоростта на светлината, което означава, че имат маса. От този момент физиците започват да вярват, че отворените частици на материята са част от атома, което по-късно се потвърждава. Той го нарича „планетарен модел на атома“.

Парадокси на квантовия свят

Въпросът от какво се състои електронът е доста сложен, поне на този етап от развитието на науката. Преди да го обмислите, трябва да се обърнете към един от парадоксите на квантовата физика, който дори самите учени не могат да обяснят. Това е известният експеримент с двоен процеп, който обяснява двойната природа на електрона.

Същността му е, че пред "оръдието", което изстрелва частици, е монтирана рамка с вертикален правоъгълен отвор. Зад нея има стена, по която ще се забелязват следи от удари. Така че, първо трябва да разберете как се държи материята. Най-лесният начин е да си представите как тенис топките се изстрелват от машина. Някои от топките попадат в дупката, а следите от удари по стената се събират в една вертикална линия. Ако на известно разстояние се добави още една подобна дупка, следите ще образуват, съответно, две ивици.

Вълните се държат различно в такава ситуация. Ако на стената се покажат следи от сблъсък с вълна, тогава в случай на една дупка ще има и една лента. Всичко обаче се променя в случай на два процепа. Вълната, преминаваща през дупките, се разделя наполовина. Ако горната част на една от вълните срещне дъното на другата, те се отменят взаимно и на стената ще се появи интерференционен модел (няколко вертикални ивици). Местата на пресичане на вълните ще оставят следа, но местата, където е настъпило взаимно потискане, не.

Удивително откритие

Използвайки описания по-горе експеримент, учените могат ясно да демонстрират на света разликата между квантовата и класическата физика. Когато бомбардираха стената с електрони, върху нея се появи обичайната вертикална писта: някои частици, точно като тенис топки, паднаха в пролуката, а някои не. Но всичко се промени, когато се появи втората дупка. Появи се на стената Първоначално физиците решиха, че електроните си пречат един на друг, и решиха да ги пуснат един по един. Въпреки това, вече след няколко часа (скоростта на движещи се електрони все още е много по-ниска от скоростта на светлината), интерференционната картина започна да се появява отново.

Неочакван обрат

Електронът, заедно с някои други частици като фотоните, проявява дуалност вълна-частица (използва се и терминът "квантов вълнов дуализъм"). По същия начин, както жив, така и мъртъв, състоянието на електрона може да бъде както корпускулярно, така и вълново.

Следващата стъпка в този експеримент обаче породи още повече мистерии: фундаментална частица, за която сякаш всичко се знае, поднесе невероятна изненада. Физиците решиха да монтират устройство за наблюдение на дупките, за да фиксират точно през кой процеп преминават частиците и как се проявяват като вълна. Но щом механизмът за наблюдение беше монтиран, на стената се появиха само две ивици, съответстващи на двата отвора, и никаква интерференция! Веднага след като „наблюдението“ беше премахнато, частицата отново започна да показва вълнови свойства, сякаш знаеше, че вече никой не я наблюдава.

Друга теория

Физикът Борн предположи, че частицата не се превръща във вълна в истинския смисъл на думата. Електронът "съдържа" вероятностна вълна, именно тази вълна дава интерференционната картина. Тези частици имат свойството на суперпозиция, тоест могат да бъдат разположени навсякъде с определена степен на вероятност и следователно могат да бъдат придружени от такава „вълна“.

Въпреки това резултатът е очевиден: самият факт на присъствието на наблюдател влияе върху резултата от експеримента. Изглежда невероятно, но това не е единственият пример от този вид. Физиците проведоха експерименти върху по-големи части от материята, след като обектът беше най-тънкото парче алуминиево фолио. Учените отбелязаха, че самият факт на определени измервания влияе върху температурата на обекта. природата подобни явлениявсе още не могат да обяснят.

структура

Но от какво е направен електронът? На този момент съвременната наукане може да отговори на този въпрос. Доскоро се смяташе за неделима фундаментална частица, но сега учените са склонни да вярват, че се състои от още по-малки структури.

Специфичният заряд на електрона също се смяташе за елементарен, но сега са открити кварки, които имат частичен заряд. Има няколко теории за това от какво е направен електронът.

Днес можете да видите статии, които твърдят, че учените са успели да разделят електрон. Това обаче е само отчасти вярно.

Нови експерименти

Още през 80-те години на миналия век съветските учени предположиха, че електронът може да бъде разделен на три квазичастици. През 1996 г. беше възможно да се раздели на спинон и холон, а наскоро частицата беше разделена на спинон и орбитон от физика Ван ден Бринк и неговия екип. Разделянето обаче може да се постигне само при специални условия. Експериментът може да се проведе при изключително ниски температури.

Когато електроните се „охладят“ до абсолютна нула, което е около -275 градуса по Целзий, те на практика спират и образуват нещо като материя помежду си, сякаш се сливат в една частица. При такива условия физиците успяват да наблюдават квазичастиците, които съставляват електрона.

Носители на информация

Радиусът на електрона е много малък, равен на 2,81794. 10 -13 см обаче се оказва, че компонентите му са много по-малки. Всяка от трите части, на които е било възможно да се „раздели“ електрон, носи информация за него. Орбитонът, както подсказва името, съдържа данни за орбиталната вълна на частицата. Спинонът е отговорен за въртенето на електрона, а холонът ни казва за заряда. Така физиците могат да наблюдават отделно различни състояния на електроните в силно охладено вещество. Те успяха да проследят двойките холон-спин и спинон-орбитон, но не и трите заедно.

Нови технологии

Физиците, които откриха електрона, трябваше да изчакат няколко десетилетия, докато откритието им бъде осъществено на практика. В наше време технологиите намират приложение след няколко години, просто запомнете графена - удивителен материал, състоящ се от въглеродни атоми в един слой. Каква е ползата от разделянето на електрон? Учените прогнозират създаването на скорост, която според тях е няколко десетки пъти по-голяма от тази на най-мощните съвременни компютри.

Каква е тайната на квантовата компютърна технология? Това може да се нарече проста оптимизация. В познат компютър най-малката, неделима информация е малко. И ако считаме данните за нещо визуално, тогава има само две възможности за машина. Битът може да съдържа нула или единица, тоест части от двоичен код.

Нов метод

Сега нека си представим, че битът съдържа и нула, и единица - това е "квантов бит" или "кубит". Ролята на прости променливи ще се играе от въртенето на електрона (той може да се върти по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка). За разлика от обикновения бит, кубитът може да изпълнява няколко функции едновременно, поради това ще настъпи увеличение на скоростта на работа, малката маса и зарядът на електрона нямат значение тук.

Това може да се обясни с примера на лабиринт. За да се измъкнете от него, трябва да опитате много различни опции, от които само една ще бъде правилна. Традиционният компютър, въпреки че решава проблемите бързо, все още може да работи само с един проблем в даден момент. Той ще премине през всички опции една по една и в крайна сметка ще намери изход. Квантовият компютър, поради двойствеността на кубита, може да реши много проблеми едновременно. Той ще прегледа всички възможни опции не на свой ред, а в един момент и също така ще реши проблема. Трудността засега е само да накарате много количества да работят върху една задача - това ще бъде основата на ново поколение компютри.

Приложение

Повечето хора използват компютри на ниво домакинство. Обикновените компютри засега се справят добре, но за да се предскажат събития, които зависят от хиляди, може би стотици хиляди променливи, машината трябва да е просто огромна. може лесно да се справи с такива неща като прогнозиране на времето за един месец, обработка на данни за природни бедствияи тяхното прогнозиране, и ще извършва сложни математически изчисления с много променливи за част от секундата, всички с процесор с размер на няколко атома. Така че може би много скоро най-мощните ни компютри ще бъдат тънки като хартия.

Поддържане на здравето

Квантовите компютърни технологии ще имат огромен принос за медицината. Човечеството ще има възможност да създаде наномеханизми с най-мощния потенциал, с тяхна помощ ще бъде възможно не само да се диагностицират заболявания, като просто се погледне цялото тяло отвътре, но и да се осигури медицинска помощ без хирургическа намеса: най-малките роботи с „мозъците“ на отличен компютър ще може да извършва всички операции.

Революция в областта на компютърните игри е неизбежна. Мощни машини, които могат да решават проблеми моментално, ще могат да играят игри с невероятно реалистична графика, а потапящи компютърни светове са точно зад ъгъла.

Електронът е елементарна частица, която е една от основните единици в структурата на материята. Зарядът на електрона е отрицателен. Най-точните измервания са направени в началото на ХХ век от Миликан и Йофе.

Зарядът на електрона е равен на минус 1,602176487 (40) * 10 -1 9 C.

Чрез тази стойност се измерва електрическият заряд на други най-малки частици.

Общо понятие за електрона

Във физиката на елементарните частици се казва, че електронът е неделим и няма структура. Той участва в електромагнитни и гравитационни процеси, принадлежи към групата на лептоните, точно като античастицата му позитрон. Сред другите лептони той има най-малкото тегло. Ако електрони и позитрони се сблъскат, това води до тяхното унищожаване. Такава двойка може да възникне от гама-кванта на частиците.

Преди да бъде измерено неутриното, електронът се смяташе за най-леката частица. В квантовата механика се нарича фермиони. Електронът също има магнитен момент. Ако към него се отнася и позитрон, тогава позитронът се отделя като положително заредена частица, а електронът се нарича негатрон, като частица с отрицателен заряд.

«>

Избрани свойства на електроните

Електроните принадлежат към първото поколение лептони, със свойствата на частици и вълни. Всеки от тях е надарен с квантово състояние, което се определя чрез измерване на енергия, ориентация на спина и други параметри. Той разкрива принадлежността си към фермионите чрез невъзможността да има два електрона в едно и също квантово състояние по едно и също време (според принципа на Паули).

Изучава се по същия начин като квазичастица в периодичен кристален потенциал, при който ефективната маса може да се различава значително от масата в покой.

Чрез движението на електроните възникват електрически ток, магнетизъм и термо-ЕМП. Зарядът на електрон в движение образува магнитно поле. Въпреки това, външното магнитно поле отклонява частицата от посока напред. При ускорение електронът придобива способността да абсорбира или излъчва енергия като фотон. Неговият комплект се състои от електронни атомни обвивки, чийто брой и позиция определят химичните свойства.

Атомната маса се състои главно от ядрени протони и неутрони, докато масата на електроните е от порядъка на 0,06% от общото атомно тегло. Кулоновата електрическа сила е една от основните сили, които могат да задържат електрон близо до ядрото. Но когато молекулите се създават от атоми и възникват химически връзки, електроните се преразпределят в новообразуваното пространство.

Нуклони и адрони участват в появата на електрони. Изотопите с радиоактивни свойства са способни да излъчват електрони. В лабораторни условия тези частици могат да бъдат изследвани в специални устройства, а например телескопите могат да откриват излъчване от тях в плазмени облаци.

Отваряне

Електронът е открит от немски физици през деветнадесети век, когато изследват катодните свойства на лъчите. Тогава други учени започнаха да го изучават по-подробно, като го доведоха до ранга на отделна частица. Изследвани са радиация и други свързани физически явления.

Например, група, ръководена от Томсън, оцени заряда на електрона и масата на катодните лъчи, чиито съотношения, както установиха, не зависят от материален източник.
И Бекерел открива, че минералите излъчват излъчване сами и техните бета лъчи могат да се отклоняват от действието на електрическо поле, а масата и зарядът запазват същото съотношение като катодните лъчи.

Атомна теория

Според тази теория атомът се състои от ядро ​​и електрони около него, подредени под формата на облак. Те се намират в някои квантувани енергийни състояния, чиято промяна е придружена от процеса на поглъщане или излъчване на фотони.

Квантова механика

В началото на ХХ век е формулирана хипотеза, според която материалните частици притежават свойствата както на собствени частици, така и на вълни. Също така светлината може да се прояви под формата на вълна (тя се нарича вълна на де Бройл) и частици (фотони).

В резултат на това е формулирано прочутото уравнение на Шрьодингер, което описва разпространението на електронните вълни. Този подход се нарича квантова механика. Използва се за изчисляване на електронните състояния на енергия във водородния атом.

Основни и квантови свойства на електрона

Частицата проявява фундаментални и квантови свойства.

Основните включват маса (9,109 * 10 -31 килограма), елементарен електрически заряд (тоест минималната част от заряда). Според направените досега измервания в електрона не са открити елементи, които да разкрият неговата субструктура. Но някои учени са на мнение, че това е точково заредена частица. Както е посочено в началото на статията, електронният електрически заряд е -1,602 * 10 -19 C.

“> Като частица, електронът може едновременно да бъде вълна. Експериментът с два процепа потвърждава възможността за едновременното му преминаване и през двата. Това противоречи на свойствата на частицата, където е възможно да се преминава само през един процеп всеки път.

Счита се, че електроните имат едни и същи физически свойства. Следователно тяхната пермутация, от гледна точка на квантовата механика, не води до промяна в състоянието на системата. Вълновата функция на електроните е антисиметрична. Следователно, неговите решения изчезват, когато еднакви електрони влязат в същото квантово състояние (принципът на Паули).

електрон. Образуване и структура на електрона. Магнитен монопол на електрона.

(продължение)

Част 4. Структурата на електрона.

4.1. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои само от две свръхплътни (кондензирани, концентрирани) полета - електрическото поле минус и магнитно поле-N. при което:

а) плътността на електрона е максимално възможната в природата;

б) размери на електроните (D = 10 -17 cm и по-малко) са минимални в природата;

в) в съответствие с изискването за минимизиране на енергията всички частици - електрони, позитрони, частици с дробни заряди, протони, неутрони и др. трябва да имат (и да имат) сферична форма;

г) по неизвестни причини, независимо от енергията на "родителския" фотон, абсолютно всички електрони (и позитрони) се раждат абсолютно идентични по своите параметри (например масата на абсолютно всички електрони и позитрони е 0,511 MeV).

4.2. „Надеждно е установено, че магнитното поле на електрона е същото интегрално свойство като неговата маса и заряд. Магнитните полета на всички електрони са еднакви, както масите и зарядите им са еднакви. ”(C) Това автоматично дава възможност да се направи недвусмислено заключение за еквивалентността на масата и заряда на електрона, тоест: масата на електрона е еквивалент на заряда, и обратно - зарядът на електрона е еквивалент на масата (за позитрон - аналогично).

4.3. Посоченото свойство на еквивалентност важи и за частици с дробни заряди (+2/3) и (-1/3), които са в основата на кварките. Тоест: масата на позитрон, електрон и всички дробни частици е еквивалент на техния заряд и обратно – зарядите на тези частици са еквивалентни на масата. Следователно специфичният заряд на електрона, позитрона и всички дробни частици е еднакъв (const) и е равен на 1,76 * 10 11 Cl/kg.

4.4. Тъй като елементарен квант на енергията автоматично е елементарен квант на масата, масата на електрона (като се вземе предвид наличието на дробни частици 1/3 и 2/3) трябва да има стойности, кратни на масите на три отрицателни полукванти. (Вижте също „Фотон. Структурата на фотона. Принципът на движение. параграф 3.4.)

4.5. Много е трудно да се определи вътрешната структура на електрона по много причини, но е от значителен интерес, поне в първо приближение, да се разгледа влиянието на два компонента (електрически и магнитни) върху вътрешната структура на електрона . Вижте фиг. 7.

Вариант номер 1. Всяка двойка листа на отрицателния полуквант образува "микроелектрони", които след това образуват електрон. В този случай броят на "микроелектроните" трябва да бъде кратен на три.

Вариант номер 2. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои от два скачени независими полусферични монопола - електрически (-) и магнитен (N).

Вариант номер 3. Електронът е двукомпонентна частица, която се състои от два монопола – електрически и магнитен. В този случай в центъра на електрона е разположен сферичен магнитен монопол.

Вариант номер 4. Други възможности.

Очевидно може да се има предвид вариантът, когато електрическото (-) и магнитното поле (N) могат да съществуват вътре в електрона не само под формата на компактни монополи, но и под формата на хомогенно вещество, тоест те образуват почти безструктурно? кристална? хомогенен? частица. Това обаче е силно съмнително.

4.6. Всяка от предложените опции има своите предимства и недостатъци, например:

а) Опции №1. Електроните от този дизайн позволяват лесно да се образуват дробни частици с маса и заряд, кратни на 1/3, но в същото време затрудняват обяснението на собственото магнитно поле на електрона.

б) Вариант номер 2. Този електрон, когато се движи около ядрото на атома, е постоянно ориентиран към ядрото със своя електрически монопол и затова може да има само два варианта за въртене около оста си - по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка (забраната на Паули?) и т.н.

4.7. При разглеждането на тези (или новопредложени) опции е наложително да се вземат предвид реалните свойства и характеристики на електрона, както и да се вземат предвид редица задължителни изисквания, например:

- наличие на електрическо поле (заряд);

— наличието на магнитно поле;

- еквивалентност на някои параметри, например: масата на електрона е еквивалентна на неговия заряд и обратно;

- способността за образуване на дробни частици с маса и заряд, кратни на 1/3;

- наличието на набор от квантови числа, спин и т.н.

4.8. Електронът се появи като двукомпонентна частица, в която едната половина (1/2) е кондензирано електрическо поле-минус (електрически монопол-минус), а другата половина (1/2) е кондензирано магнитно поле (магнитен монопол -Н). Все пак трябва да се има предвид, че:

- електрическите и магнитните полета при определени условия могат да се генерират взаимно (да се превръщат едно в друго);

- Електронът не може да бъде еднокомпонентна частица и да се състои от 100% от минус полето, тъй като едно заредено минус поле ще се разпадне поради силите на отблъскване. Ето защо наличието на магнитен компонент е необходимо вътре в електрона.

4.9. За съжаление, не е възможно да се извърши пълен анализ на всички предимства и недостатъци на предложените опции и да се избере единствената правилна опция за вътрешната структура на електрона в тази работа.

Част 5. "Вълнови свойства на електрона".

5.1. „До края на 1924 г. гледната точка, според която електромагнитното излъчване се държи отчасти като вълни, а отчасти като частици, стана общоприета ... И точно по това време французинът Луи дьо Бройл, който по това време беше аспирант, осъмна в брилянтна мисъл: защо същото не може да бъде и за веществата? Луи дьо Бройл извърши обратната работа върху частиците, която Айнщайн извърши върху светлинните вълни. Айнщайн свързва електромагнитните вълни със светлинни частици; дьо Бройл свързва движението на частиците с разпространението на вълните, които той нарича вълни на материята. Хипотезата на Дьо Бройл се основава на сходството на уравненията, описващи поведението на светлинните лъчи и частиците на материята, и е чисто теоретична по своята същност. За да се потвърди или опровергае, бяха необходими експериментални факти. ”(c)

5.2. „През 1927 г. американските физици К. Дейвисън и К. Джърмър откриха, че когато електроните се „отразят” от повърхността на никелов кристал под определени ъгли на отражение, се появяват максимуми. Подобни данни (появата на максимуми) вече бяха налични от наблюдението на дифракцията на рентгеновите вълни от кристални структури. Следователно появата на тези максимуми в отразените електронни лъчи не може да се обясни по друг начин, освен на базата на представите за вълните и тяхната дифракция. По този начин вълновите свойства на частиците - електрони (и хипотезата на де Бройл) бяха доказани чрез експеримент. ”(c)

5.3. Въпреки това, разглеждането на процеса на появата на корпускулярни свойства на фотон, описан в тази статия (виж фиг. 5.), ни позволява да направим доста недвусмислени заключения:

а) при намаляване на дължината на вълната от 10 -4 до 10 - 10 (C)(C)(C)(C)(C)cm Електрическите и магнитните полета на фотона се кондензират

(C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) (C) b) когато електрическите и магнитните полета станат по-плътни, "разделителната линия" започва бързо увеличават "плътността" на полетата и вече в рентгеновия диапазон плътността на полето е съизмерима с плътността на "обикновена" частица.

в) следователно, рентгеновият фотон, когато взаимодейства с препятствие, вече не се отразява от препятствието като вълна, а започва да отскача от него като частица.

5.4. Това е:

а) вече в мекия рентгенов диапазон електромагнитни полетафотоните са толкова уплътнени, че е много трудно да се открият техните вълнови свойства. Цитат: "Колкото по-малка е дължината на вълната на фотона, толкова по-трудно е да се открият свойствата на вълната в него и толкова по-силно се проявяват свойствата на частица в него."

б) в твърдия рентгенов и гама диапазон фотоните се държат като сто процента частици и е почти невъзможно да се открият вълнови свойства в тях. Тоест: рентгеновият и гама-фотонът напълно губи свойствата на вълната и се превръща в 100% частица. Цитат: „Енергията на квантите в рентгеновия и гама диапазона е толкова голяма, че излъчването се държи почти сто процента като поток от частици“ (c).

в) следователно при експерименти за разсейване на рентгенов фотон от повърхността на кристала вече не се наблюдава вълна, а обикновена частица, която отскача от повърхността на кристала и повтаря структурата на кристалната решетка.

5.5. Преди експериментите на К. Дейвисън и К. Гермер вече имаше експериментални данни за наблюдение на дифракцията на рентгенови вълни върху кристални структури. Следователно, след като са получили подобни резултати в експерименти с разсейване на електрони върху никелов кристал, те автоматично приписват вълнови свойства на електрона. Електронът обаче е "твърда" частица, която има реална маса на покой, размери и т.н. Това не е електрон-частица, която се държи като фотонна вълна, а рентгеновият фотон има (и проявява) всички свойства на частица. Не електрон се отразява от препятствие като фотон, а рентгенов фотон се отразява от препятствие като частица.

5.6. Следователно: електронът (и други частици) не са имали „вълнови свойства“, няма и не може да има. И няма никакви предпоставки, още по-малко възможности за промяна на тази ситуация.

Част 6. Заключения.

6.1 Електронът и позитронът са първите и основни частици, чието присъствие определя появата на кварки, протони, водород и всички други елементи от периодичната таблица.

6.2. Исторически една частица е била наречена електрон и й е даден знак минус (материя), а другата е наречена позитрон и е получила знак плюс (антиматерия). „Електрическият заряд на електрона беше договорено да се счита за отрицателен в съответствие с по-ранно споразумение за наричане на заряда на електрифициран кехлибар отрицателен“ (c).

6.3. Един електрон може да се появи (да се появи = да се роди) само в двойка с позитрон (електронът е позитронна двойка). Появата в природата на поне един "несдвоен" (единичен) електрон или позитрон е нарушение на закона за запазване на заряда, общата електронеутралитет на материята и е технически невъзможно.

6.4. Образуването на двойка електрон-позитрон в кулоновското поле на заредена частица става след разделянето на елементарните кванти на фотона в надлъжна посока на две съставни части: отрицателна, от която се образува минус частица (електрон) , и положителен, от който се образува плюсова частица (позитрон). Разделянето на електрически неутрален фотон в надлъжна посока на две абсолютно равни по маса, но различни по заряд (и магнитни полета) части е естествено свойство на фотона, което следва от законите за запазване на заряда и т.н. Наличието на дори незначителни количества "частици-плюс" "вътре" в електрона и "вътре" в позитрона - "минус частици" - са изключени. Той също така изключва наличието на електрически неутрални "частици" (разрези, парчета, фрагменти и т.н.) на родителския фотон вътре в електрона и протона.

6.5. По неизвестни причини абсолютно всички електрони и позитрони се раждат като референтни частици "максимум-минимум" (т.е. те не могат да бъдат по-големи и не могат да бъдат по-малки по маса, заряд, размери и други характеристики). Образуването на по-малки или по-големи частици-плюс (позитрони) и частици-минус (електрони) от електромагнитни фотони е изключено.

6.6. Вътрешната структура на електрона е недвусмислено предопределена от последователността на появата му: електронът се формира като двукомпонентна частица, която е 50% уплътнено електрическо поле-минус (електрически монопол-минус) и 50% уплътнено магнитно поле ( магнитен монопол-N). Тези два монопола могат да се разглеждат като различно заредени частици, между които възникват сили на взаимно привличане (сцепление).

6.7. Магнитните монополи съществуват, но не в свободна форма, а само като компоненти на електрон и позитрон. В този случай магнитният монопол (N) е неразделна част от електрона, а магнитният монопол (S) е неразделна част от позитрона. Наличието на магнитен компонент "вътре" в електрона е необходимо, тъй като само магнитен монопол (N) може да се образува с еднозареден електрически монопол - минус най-силната (и безпрецедентна по сила) връзка.

6.8. Електроните и позитроните имат най-голяма стабилност и са частици, чийто разпад е теоретично и практически невъзможен. Те са неделими (по заряд и маса), тоест: изключва се спонтанно (или принудително) разделяне на електрон или позитрон на няколко калибрирани или „различни по размер“ части.

6.9. Електронът е вечен и не може да „изчезне“, докато не срещне друга частица, която има равен по големина, но противоположен по знак електрически и магнитен заряд (позитрон).

6.10. Тъй като от електромагнитните вълни могат да се появят само две стандартни (калибрирани) частици: електрон и позитрон, тогава на тяхна основа могат да се появят само стандартни кварки, протони и неутрони. Следователно цялата видима (барионна) материя на нашата и всички други вселени се състои от същото химични елементи(таблица на Менделеев) и навсякъде има еднородни физически константи и фундаментални закони, подобни на "нашите" закони. Появата в която и да е точка от безкрайното пространство на "други" елементарни частици и "други" химични елементи е изключена.

6.11. Цялата видима материя на нашата Вселена се е образувала от фотони (вероятно в микровълновия диапазон) по единствената възможна схема: фотон → двойка електрон-позитрон → дробни частици → кварки, глуон → протон (водород). Следователно цялата "твърда" материя на нашата Вселена (включително Homo sapiens) е кондензирани електрически и магнитни полета на фотони. Други „въпроси” за неговото формиране в Космоса не е имало и не може да има.

P.S. Неизчерпаем ли е електронът?

Имоти

Зарядът на електрона е неделим и е равен на −1,602176565(35) 10 −19 C (или −4,80320427(13) 10 −10 единици от заряда на CGSE в системата CGSE или −1,602176565(35) 10. −20 gs единици в CGSE cgsm системата); за първи път е измерен директно в експерименти ( Английски) А. Ф. Йофе (1911) и Р. Миликен (1912). Тази стойност служи като единица за измерване на електрическия заряд на други елементарни частици (за разлика от заряда на електрона, елементарният заряд обикновено се приема с положителен знак). Масата на електрона е 9,10938291(40) 10 −31 kg.

Kg е масата на електрона.

Cl е зарядът на електрона.

C/kg - специфичен електронен заряд.

Свъртане на електрона в единици

Според съвременните концепции на физиката на елементарните частици, електронът е неделим и безструктурен (поне до разстояния от 10 −17 cm). Електронът участва в слабите, електромагнитните и гравитационни взаимодействия. Той принадлежи към групата на лептоните и е (заедно със своята античастица позитрон) най-лекият от заредените лептони. Преди откриването на масата на неутриното, електронът се смяташе за най-лекия от масивните частици - масата му е около 1836 пъти по-малка от масата на протона. Спинът на електрона е 1/2 и следователно електронът принадлежи на фермиони. Като всяка заредена частица със спин, електронът има магнитен момент и магнитният момент се разделя на нормална част и аномален магнитен момент. Понякога както самите електрони, така и позитроните се наричат ​​електрони (например, разглеждайки ги като общо електрон-позитронно поле, решение на уравнението на Дирак). В този случай отрицателно зареденият електрон се нарича негатрон, а положително зареденият се нарича позитрон. [ източник не е посочен 120 дни]

Намирайки се в периодичния потенциал на кристала, електронът се разглежда като квази-частица, чиято ефективна маса може да се различава значително от масата на електрона.

Свободният електрон не може да абсорбира фотон, но може да го разпръсне (вижте ефекта на Комптън).

Етимология и история на откриването

Името „електрон“ идва от гръцката дума ἤλεκτρον, което означава „кехлибар“: още в Древна Гърция, естествените учени провеждат експерименти – парчета кехлибар се търкат с вълна, след което започват да привличат малки предмети към себе си. Терминът "електрон" като име на основната неделима единица заряд в електрохимията е предложен от J. J. Stoney ( Английски) през 1894 г. (самата единица е въведена от него през 1874 г.). Откриването на електрона като частица принадлежи на E. Wiechert и J. J. Thomson, които през 1897 г. установяват, че съотношението заряд към маса за катодните лъчи не зависи от изходния материал. (виж Откриване на електрона)

Откриване на вълнови свойства. Според хипотезата на дьо Бройл (1924), електронът (както всички други материални микрообекти) има не само корпускулярни, но и вълнови свойства. Дължината на вълната на де Бройл на нерелативисткия електрон е, където е скоростта на електрона. Съответно, електроните, подобно на светлината, могат да изпитват интерференция и дифракция. Вълновите свойства на електроните са открити експериментално през 1927 г. от американските физици C. Davisson и L. Germer (Davisson-Germer Experiment) и независимо от английския физик JP Thomson.

Използване

Повечето нискоенергийни източници на електрони използват явленията на термоелектронна емисия и фотоелектронна емисия. Високоенергийни, с енергия от няколко keV до няколко MeV, електроните се излъчват в процесите на бета разпад и вътрешно преобразуване на радиоактивните ядра. Електроните, излъчвани при бета разпад, понякога се наричат ​​бета частици или бета лъчи. Ускорителите служат като източници на електрони с по-висока енергия.

Движението на електроните в металите и полупроводниците улеснява пренасянето и контрола на енергията; това е една от основите на съвременната цивилизация и се използва почти навсякъде в индустрията, комуникациите, компютърните науки, електрониката и в ежедневието. Скоростта на дрейф на електроните в проводниците е много ниска (~0,1-1 mm/s), но електрическото поле се разпространява със скоростта на светлината. В тази връзка токът в цялата верига се установява почти мигновено.

Електронните лъчи, ускорени до високи енергии, например в линейни ускорители, са едно от основните средства за изследване на структурата на атомните ядра и природата на елементарните частици. По-прозаично приложение на електронните лъчи са телевизорите и мониторите с електронно-лъчеви тръби (кинескопи). Електронният микроскоп също използва способността на електронните лъчи да се подчиняват на законите на електронната оптика. Преди изобретяването на транзисторите почти цялата радиотехника и електроника се основаваха на вакуумни електронни тръби, където се използва управлението на движението на електроните във вакуум чрез електрически (понякога магнитни) полета. Електровакуумните устройства (EVP) продължават да се използват в ограничена степен в наше време; най-често срещаните приложения са магнетроните в генераторите на микровълнови фурни и гореспоменатите електронно-лъчеви тръби (CRT) в телевизори и монитори.

Електронът като квазичастица

Ако електронът е в периодичен потенциал, неговото движение се разглежда като движение на квазичастица. Неговите състояния се описват с квазивълнов вектор. Основната динамична характеристика в случай на квадратичен закон на дисперсията е ефективната маса, която може да се различава значително от масата на свободния електрон и в общия случай е тензор.

Електронът и Вселената

Известно е, че от всеки 100 нуклона във Вселената 87 са протони и 13 са неутрони (последните са основно част от хелиеви ядра). За да се осигури цялостната неутралност на материята, броят на протоните и електроните трябва да бъде еднакъв. Плътността на барионната (наблюдавана чрез оптични методи) маса, която се състои главно от нуклони, е доста добре известна (един нуклон на 0,4 кубичен метър). Като вземем предвид радиуса на наблюдаемата Вселена (13,7 милиарда светлинни години), можем да изчислим, че броят на електроните в този обем е ~10 80 , което е сравнимо с големи числаДирак.

Вижте също

• Теория за едноелектронна вселена
• Електричество
• електроника
• Фотоумножителна тръба
• Електрическа лампа

Ток, електронен заряд - всеки знае тези думи.

И така, какво е електричеството, как се генерира и предава? Не е лесно да се отговори на тези въпроси. За да направите това, трябва да се запознаете със значителен набор от явления, наречени електрически. Помислете първо за произхода на думата "електричество".

Дори учени от древна Гърция откриха, че след триене на кехлибарени предмети светлинните тела се привличат към тях. Кехлибар на гръцки - "електрон"; Именно от тази дума идва името "електрически".

През втората половина на 16 век английският учен Гилбърт открива, че не само кехлибарът има свойството да привлича светлинни тела. Много вещества също придобиват това свойство по време на триене, например смола, стъкло. Това явление се нарича наелектризиране. Вещество, което придобива такова свойство по време на триене, е започнало да се нарича електрифицирано.

Учените обясниха наелектризирането на телата с появата на електричество върху тялото или електрически заряд.

За да може тялото да се наелектризира, не е необходимо да го търкате; можете например да го докоснете с всеки преди това наелектризиран обект. И така, опитът показва, че наелектризираните тела се отблъскват или привличат. Въз основа на това те стигнаха до заключението, че има различен вид електрически заряд. Това са противоположни заряди.

Някои от тези заряди условно се наричат ​​положителни, а други - отрицателни. Наблюдението на това как електрифицираните тела взаимодействат, направи възможно да се установи, че зарядите със същото име ще се отблъскват, а противоположните заряди ще се привличат.

Въпросът какво представлява електрически заряд интересува учените от дълго време. Първоначално се предполагаше, че електрическите явления са причинени от електрическа течност, която няма тегло. Някои учени предполагаха, че всяко тяло има две електрически течности: положителна и отрицателна, като излишъкът на единия образува положително наелектризиране на тялото, а излишъкът на другия - отрицателен. Ако те присъстват в равни количества, тогава действието на двете течности се унищожава взаимно. В този случай тялото става незаредено. Други учени смятали, че има само една електрическа течност, която се съдържа в определено количество във всяко незаредено тяло. Излишъкът му в тялото образува положително наелектризиране, а липсата - отрицателен. Постепенно обаче анализът на новите експериментални факти ни принуди да се откажем от хипотезата за електрическа течност.

Така беше открито, че електричеството има атомна структура, т.е. може да се раздели на съставни части, всяка от които е т. нар. елементарен електрически заряд. Такова заключение направи възможно, от една страна, да се изследва преминаването на електричеството през разтвори на соли и киселини, а след това да се изследва електричеството в газове. И накрая, опитът показва, че елементарните електрически заряди носят най-малките частици материя.

Експериментите, проведени в края на 19 век от английския физик Томсън, позволяват да се открие една-единствена частица материя, която има най-малък електрически заряд, а по-късно е възможно да се измери нейната величина.

Така най-малката частица от вещество, която има елементарен отрицателен заряд, се нарича електрон.

Електрическият заряд на електрона е едно от най-важните му неразделни свойства.

Масата му е m = 9,1˖10⁻²⁸ g.

Зарядът на електрона e = - 4,8˖10⁻¹⁰ единици.

Електронът е една от частиците, които изграждат всяко вещество. Веществата са съставени от атоми, които включват положително заредено ядро ​​и електрони, които се движат около него. Отрицателният заряд на електрона е абсолютно еднакъв във всяко вещество, но техният брой и разпределение около ядрото са различни. Когато един атом е в неутрално състояние, положителното е равно на сумата от отрицателните заряди на всички електрони, които се въртят около него.

Случва се атом да губи електрони; в този случай положителният заряд на ядрото става по-голям от сумата на зарядите на останалите електрони, тогава целият атом ще стане положително зареден. Когато тялото е отрицателно заредено, това означава, че електроните в него са в излишък.

Движението на електроните определя преразпределението електрически зарядив веществата положително и отрицателно наелектризиране на тела и други явления.

Учебно помагало за лабораторна работа No 3.10к

в дисциплината "физика"

Владивосток

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА

Руска федерация

Федерална държавна автономна образователна институция за висше професионално образование

„Далекоизточен федерален университет (ДВФУ)

Училището по природни науки

Определяне на специфичния заряд на електрона

Учебно помагало за лабораторни упражнения No 3.10

в дисциплината "физика"

Владивосток

Далекоизточен федерален университет

УДК 53.082.1; 531,76

Определяне на специфичния заряд на електрона:учебно-методически. наръчник за лабораторни работи № 3.10к по дисциплина "Физика" / Далекоизточен федерален университет, Факултет по естествени науки / Комп. Н.П. Димченко, О.В. Плотников,. - Владивосток: Далечния изток. федерален. ун-т, 2014. - 13 с.

Наръчникът, изготвен в катедра „Обща физика” на Природознанието на ДВФУ, съдържа кратко теоретичен материална тема „Движението на заредените частици в електрически и магнитни полета” и насоки за лабораторната работа „Определяне на специфичния заряд на електрона” по дисциплина „Физика”. Наръчникът е предназначен за студенти от инженерното училище на FEFU.

УДК 53.082.1; 531,76

© Dymchenko N.P., Plotnikova O.V., 2014

© FGAOU VPO "FEFU", 2014 г

Лабораторна работа No 3.10к Определяне на специфичния заряд на електрона

Обективен:изучаване на законите на движение на заредените частици в електрически и магнитни полета, определяне на специфичния заряд на електрона e / м,с помощта на намотки на Хелмхолц.

Устройства:инсталация за демонстриране на силата на Лоренц и определяне на съотношението на заряда на електрона към неговата маса, правоъгълен триъгълник.

Кратка теория.

Специфичен електронен заряд e / ме една от основните константи, като скоростта на светлината С, константа на Планк з, константа на Болцман кдруги. Когато един електрон се движи в електрическо и магнитно поле, траекторията на електрона се определя от конфигурацията на тези полета и съотношението на заряда на електрона към неговата маса.

Ако движеща се заредена частица е под действието на еднородни електрически и магнитни полета, тогава силата, действаща върху частицата, е:

къде е скоростта на частицата, q- неговия електрически заряд, - сила на електрическото поле, - индукция на магнитно поле.

Тази сила се нарича сила на Лоренц. Формулата показва, че тя е равна на векторната сума на силите, действащи от електрическото и магнитното поле.

Да разгледаме движението на заредена частица с постоянна скорост в еднородно магнитно поле, при условие че няма електрическо поле. В този случай върху частицата действа само магнитният компонент на силата на Лоренц:

Посоката на тази сила зависи от знака на заряда и може да се определи по правилото на десния винт (правило на лявата ръка), фиг. един.

Модулът на силата на Лоренц е:

където α е ъгълът между векторите на скоростта на частиците и индукцията на магнитното поле.

Ако една частица се движи със скорост, насочена по протежение на силовите линии на магнитна индукция, тогава силата не действа върху нея (F = 0), ускорението на частицата ще бъде 0 и движението ще бъде равномерно.

Ако скоростта на частицата е насочена перпендикулярно на силовите линии на магнитната индукция, тогава частицата ще бъде под действието на силова константа в абсолютна стойност: , насочена перпендикулярно на скоростта и придаваща на частицата само нормално (центростремително ) ускорение . Модулът на скоростта не се променя. Обясни защо? В резултат на това частицата ще се движи в кръг, чийто радиус може да се намери въз основа на втория закон на Нютон:

Орбитален период на частиците:

От получения израз се вижда , че периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле не зависи от скоростта на частицата и е обратен на нейния специфичен заряд .

При известен радиус на траекторията на частицата от израз (4) е възможно да се намери скоростта на частицата:

Ако скоростта на заредена частица е насочена под ъгъл α спрямо вектора на магнитната индукция, тогава нейното движение може да се представи като суперпозиция на две движения:

В резултат на добавянето на две движения се получава спираловидно движение, чиято ос е успоредна на линиите на магнитното поле (фиг. 2).

Разстоянието змежду двата най-близки завоя на спиралата се нарича стъпка. Стъпката на спиралата е:

В тази лабораторна работа се разглежда движението на електрон в магнитно поле и всички получени отношения се използват за описване на това движение.

Ориз. 2. Траекторията на заредена частица, която е влетяла под ъгъл α спрямо силовите линии на еднородно магнитно поле. R е радиусът, h е стъпката на спиралата.

След като премине ускоряващата потенциална разлика U, електронът придобива скорост , чиято стойност може да се намери от равенството на работата на електрическото поле и кинетичната енергия на електрона (законът за запазване на енергията е написан за нерелативистичния случай) :

където е зарядът на електрона (модуло), е масата на електрона.

Използвайки израз (6), намираме скоростта на електрона:

Замествайки (9) в (8) и изразявайки специфичния заряд на електрона, получаваме:

Експериментална настройка

Определянето на специфичния заряд на електрона се извършва на настройката, показана на фиг. 3. Основните елементи на инсталацията са: електронно-лъчева тръба 7, система от намотки на Хелмхолц 11, която създава еднородно магнитно поле в целия обем, покрит от намотките, и управляващите елементи, показани на фиг. 3.

Ориз. 3. Инсталация за определяне на специфичния заряд на електрон.

1 - Бутон за включване/изключване на устройството: 2 - трипозиционен превключвател, служи за промяна на посоката на намагнитващия ток в бобините на Хелмхолц 11 "по часовниковата стрелка", "изключено", "обратно на часовниковата стрелка"; 3 - копче за регулиране на тока на намагнитване, токът се отчита с помощта на амперметър, разположен на предния панел на уреда; 4 - копче за регулиране на ускорителното напрежение, отчита се с помощта на волтметър, разположен на предния панел на уреда; 5 - превключвател, има три позиции, в този експеримент, той трябва да е в положение "изключено", 6 - дръжка за регулиране на електростатичното поле, не се използва в този експеримент и трябва да е в най-ляво положение; 7 - електронно-лъчева тръба; 8, 10 устройства за измерване на диаметъра на електронния лъч; 9 – пътека на електронния лъч.

Намотките на Хелмхолц са система от две тънки намотки, разположени коаксиално на разстояние между центровете на намотките, равно на техния радиус. Дебелината на намотките е много по-малка от средния им диаметър. При такава геометрия на разположението на намотките, индукцията на магнитното поле в целия обем между намотките е практически еднаква. Векторът на индукция на магнитното поле на намотките на Хелмхолц е насочен по оста на двете намотки към наблюдателя или далеч от наблюдателя, в зависимост от посоката на тока в намотките на Хелмхолц. Посоката на тока се превключва с превключвател 2, фиг. 3. Електронно-лъчева тръба 7 е разположена в централната част на полето, създадено от тези намотки, фиг. 3.

Индукция на магнитно поле Бвътре в пръстеновидната система може да се изчисли на базата на закона на Био-Савар-Лаплас и принципа на суперпозиция на полета, създадени от два пръстена на Хелмхолц. Това изчисление дава израза за индукцията на магнитното поле:

където е магнитната константа, N = общ бройнавивки на две намотки, R е средният радиус на намотките, I е силата на тока в намотките на Хелмхолц.

Като се вземе предвид (11), формула (10) ще приеме формата:

където k означава израза: . Заместване в тази формула на стойността на константата μ Ои стойностите на параметрите N и R на намотките на Хелмхолц на тази инсталация, получаваме крайния израз за формула (12):

Работна поръчка

Уредът е готов за работа, не е позволено да се върти електронно-лъчева тръба, както и да се завъртат или превключват други бутони, освен посочени в това ръководство. Продължителността на непрекъснатия експеримент не трябва да надвишава 45 минути.Превключвател 5, фиг. 3, трябва да е в изключено положение и в този експеримент неговата позицияне трябва да се променя. Избираме тока на намагнитване в рамките на 1 - 2 A, yзадаваме ускорителното напрежение в диапазона от 150 - 200 V. Преди да изключите устройството, завъртете копчето за регулиране на тока 2 и ускорителното напрежение 4, фиг. 3 завъртете в крайна лява позиция.

Ориз. 4 Електронен лъч при липса на магнитно поле. За да се визуализира електронният лъч, малко количество инертен газ е завършено в предварително евакуираната електронно-лъчева тръба. Поради удари между електрони и атоми на инертен газ, газовите атоми се възбуждат и след това излъчват зеленикава светлина, като по този начин показват траекторията на електроните.

Ориз. 5. Изглед на електронен лъч в магнитно поле, създадено от магнитното поле на намотките на Хелмхолц.

Процедура за измерване

Както се вижда от работната формула (12), за експериментално определяне на специфичния заряд на електрона трябва да се измери ускорителното напрежение У, магнитен ток ази радиуса на електронния пръстен r. Ускорителното напрежение и токът на намагнитване се измерват с помощта на волтметър и амперметър, разположени на предния панел на настройката. Радиусът на пръстена се измерва чрез измерване на диаметъра на пръстена с помощта на измервателна линийка 10, фиг. 3. За да подобрите точността на измерване на радиуса на електронния пръстен, препоръчваме следната последователност от действия. Към измервателна линийка 3, фиг. 6, прикрепете с единия крак правоъгълен триъгълник 2. След това преместете мерника 4 и триъгълника 2 и наблюдавайте с око позицията на десния ръб на пръстена по протежение на другия крак. Веднага след като ръбът на електронния пръстен, зрението и окото на наблюдателя са на една и съща линия, ние броим координатите на този ръб на пръстена. След това, по подобен начин, броим левия ръб на електронния лъч. Разликата между тези координати ще даде стойността на диаметъра на електронния пръстен, съответстваща на дадените стойности на ускоряващото напрежение и тока на намагнитване в пръстените на Хелмхолц. Такава процедура намалява грешката при измерване на диаметъра на пръстена, свързана с паралакса, промяна в позицията на мерника, когато очите на наблюдателя са изместени в посока, перпендикулярна на линията на зрение.

След като овладеете методологията на необходимите показания, трябва да преминете към основния експеримент. Настройте тока на намагнитване на 1,50 A, измерете диаметрите на пръстените при 3 различни ускоряващи напрежения: 150, 175, 200 V. След това задайте ускоряващото напрежение на 175 V и измерете диаметрите на пръстените при три стойности на намагнитването ток: 1,00 A, 1,50 A, 2,00 A. Резултатите от измерването се записват в предварително изготвена таблица. Посочените показания трябва да бъдат направени с точност до половината от делението на скалата на измервателните уреди.

Маса 1

Таблица с експериментални данни

Обработка на резултатите от експеримента.

,

където . е абсолютната грешка и-то измерване на специфичния заряд, е коефициентът на Студент, n е броят на измерванията, в нашия случай са избрани 6 измервания, α е коефициентът на надеждност на Студент. При лабораторни измервания се препоръчва да го изберете равен на 95%.

Изчислете относителната грешка ε на специфичния електронен заряд по формулата:

Записвам краен резултати го сравнете с табличната стойност на специфичния заряд на електрона.